نیتروژن (Nitrogen)

نیتروژن، یک عنصر شیمیایی، با نماد N مشخص می‌شود و دارای عدد اتمی 7 است. نیتروژن که به‌عنوان یک نافلز طبقه‌بندی می‌شود، سبک‌ترین عنصر گروه 15 را در جدول تناوبی نشان می‌دهد، گروهی که اغلب به عنوان پنیکتوژن شناخته می‌شود. این عنصر به طور گسترده در سراسر کیهان پراکنده شده است و از نظر فراوانی در کهکشان راه شیری و منظومه شمسی تقریباً در رتبه هفتم قرار دارد. در شرایط استاندارد دما و فشار، دو اتم نیتروژن به صورت کووالانسی پیوند می خورند تا N§45§ را تولید کنند که به صورت گاز دواتمی بی رنگ و بی بو ظاهر می شود. N§67§ که تقریباً 78 درصد اتمسفر زمین را تشکیل می دهد، به عنوان رایج ترین گونه شیمیایی موجود در هوا می باشد. به دلیل فرار ذاتی ترکیبات آن، نیتروژن در اجزای جامد زمین نسبتاً کمیاب است.

کشف اولیه و جداسازی نیتروژن به پزشک اسکاتلندی دانیل رادرفورد در سال 1772 نسبت داده شد، با تأیید مستقلی که به طور همزمان توسط Schelele Hevendry و Carl Hevendnry. در سال 1790، شیمیدان فرانسوی ژان آنتوان کلود چاپال نام نیتروژن را پس از شناسایی وجود نیتروژن در اسید نیتریک و نیترات های مختلف پیشنهاد کرد. برعکس، آنتوان لاووازیه نام azote را پیشنهاد کرد که از واژه یونانی باستان ἀζωτικός به معنای "بدون حیات" گرفته شده است، به دلیل خواص آن به عنوان گاز خفه کننده. این نامگذاری در چندین زبان وجود دارد و در نام انگلیسی برخی از ترکیبات نیتروژن، از جمله هیدرازین، آزیدها و ترکیبات آزو منعکس شده است.

نیتروژن عنصری معمولاً از هوای اتمسفر با استفاده از فناوری جذب نوسان فشار تولید می‌شود. تقریباً دو سوم از نیتروژن عنصری تجاری تولید شده به عنوان یک گاز بی اثر (بدون اکسیژن) در کاربردهای مختلف صنعتی از جمله بسته بندی مواد غذایی عمل می کند، در حالی که بخش قابل توجهی از باقی مانده به عنوان نیتروژن مایع در فرآیندهای برودتی استفاده می شود. ترکیبات متعدد با اهمیت صنعتی، مانند آمونیاک، اسید نیتریک، نیترات های آلی (که به عنوان پیشران و مواد منفجره استفاده می شوند)، و سیانیدها، نیتروژن را در خود جای داده اند. شیمی نیتروژن عمدتاً تحت تأثیر پیوند سه گانه فوق العاده قوی (N≡N) موجود در نیتروژن عنصری است، که به عنوان دومین پیوند قوی در بین تمام مولکول های دواتمی رتبه بندی می شود و تنها مونوکسید کربن (CO) از آن بالاتر است. این قدرت ذاتی چالش هایی را برای ارگانیسم های بیولوژیکی و فرآیندهای صنعتی در تبدیل N₂ به ترکیبات مفید ایجاد می کند. به طور همزمان، این نشان می دهد که احتراق، انفجار، یا تجزیه ترکیبات نیتروژن برای تولید گاز نیتروژن، مقادیر قابل توجهی از انرژی اغلب ارزشمند را آزاد می کند. آمونیاک و نیترات که به صورت مصنوعی تولید می شوند، کودهای صنعتی ضروری را تشکیل می دهند. با این حال، این نیترات‌های کود آلاینده‌های مهمی هستند که در تخریب اکوسیستم‌های آبی نقش دارند. فراتر از کاربردهایش در کودها و ذخیره انرژی، نیتروژن جزء جدایی ناپذیر مجموعه وسیعی از ترکیبات آلی است، از آرامیدها که در پارچه های با استحکام بالا به کار می روند تا سیانواکریلات که در سوپرچسب استفاده می شود.

نیتروژن در همه موجودات موجود در همه موجودات زنده موجود در اسیدهای آمینه اولیه وجود دارد. اسیدها (DNA و RNA)، و مولکول مهم انتقال انرژی آدنوزین تری فسفات. نیتروژن که تقریباً 3 درصد از جرم بدن انسان را تشکیل می دهد، پس از اکسیژن، کربن و هیدروژن، چهارمین عنصر فراوان است. چرخه نیتروژن، شار عنصری از جو به بیوسفر و ترکیبات آلی را مشخص می کند و متعاقباً به جو باز می گردد. به عنوان یک جزء اساسی، نیتروژن در هر کلاس دارویی دارویی قابل توجهی وجود دارد که شامل آنتی بیوتیک ها می شود. بسیاری از عوامل دارویی به عنوان تقلید یا پیش داروی مولکول های سیگنال دهی درون زا حاوی نیتروژن عمل می کنند. به عنوان مثال، نیترات های آلی نیتروگلیسیرین و نیتروپروساید فشار خون را از طریق متابولیسم خود به اکسید نیتریک تنظیم می کنند. تعداد زیادی از داروهای حاوی نیتروژن برجسته، از جمله ترکیبات طبیعی مانند کافئین و مورفین، و همچنین مواد مصنوعی مانند آمفتامین ها، اثرات خود را از طریق تعامل با گیرنده های انتقال دهنده عصبی حیوانی اعمال می کنند.

تاریخچه

ترکیبات نیتروژن دارای سابقه تاریخی گسترده ای هستند، به عنوان مثال، کلرید آمونیوم در اوایل زمان هرودوت شناخته شده است. خواص آنها در دوره قرون وسطی به خوبی تثبیت شده بود. کیمیاگران از اسید نیتریک به عنوان aqua fortis (آب قوی) یاد می کردند و همچنین با سایر ترکیبات نیتروژن دار، از جمله نمک های مختلف آمونیوم و نیترات آشنا بودند. ترکیب اسیدهای نیتریک و هیدروکلریک آکوا رژیا (آب سلطنتی) نامیده می‌شود که به دلیل ظرفیت منحصر به فرد خود در حل کردن طلا، که به طور سنتی "پادشاه فلزات" در نظر گرفته می‌شود، مشهور است.

شناسایی نیتروژن معمولاً به پزشک اسکاتلندی دانیل رادرفورد در سال 1772 نسبت داده می شود که آن را به عنوان هوای مضر معرفی کرد. اگرچه رادرفورد به طور کامل آن را به عنوان یک ماده شیمیایی متمایز تشخیص نداد، اما به وضوح آن را از "هوای ثابت" یا دی اکسید کربن جوزف بلک متمایز کرد. رادرفورد متوجه شد که هوا حاوی یک جزء است که قادر به پشتیبانی از احتراق نیست، اگرچه او از ماهیت عنصری آن بی خبر بود. به طور همزمان، کارل ویلهلم شیل، هنری کاوندیش و جوزف پریستلی نیز نیتروژن را مورد بررسی قرار دادند و از آن به عنوان هوای سوخته یا هوای phlogisticated یاد کردند. شیمیدان فرانسوی، آنتوان لاووازیه، گاز نیتروژن را «هوای مفیتیک» یا azote نامید که از کلمه یونانی άζωτικός (azotikos) به معنای "بدون زندگی" گرفته شده است، به دلیل خواص خفگی آن. در محیطی که فقط از نیتروژن تشکیل شده بود، حیوانات تلف شدند و شعله های آتش خاموش شدند. در حالی که نام لاووازیه در زبان انگلیسی پذیرفته نشد، در درجه اول به این دلیل که اشاره شد که همه گازها به جز اکسیژن دارای خواص خفگی یا به طور آشکار سمی هستند، این اصطلاح در بسیاری از زبان ها (مانند فرانسوی، ایتالیایی، پرتغالی، لهستانی، روسی، آلبانیایی، ترکی) وجود دارد. اصطلاح آلمانی Stickstoff به طور مشابه منعکس کننده این ویژگی است که از ersticken به معنای "خفه کردن یا خفه کردن" سرچشمه می گیرد. علاوه بر این، ریشه «آزوت» در نام‌های رایج ترکیبات نیتروژنی مختلف، از جمله ترکیبات یون هیدرازین و آزید، در انگلیسی باقی می‌ماند. در نهایت، این ویژگی همچنین الهام‌بخش نام «پنیکتوژن‌ها» برای گروهی از عناصر به رهبری نیتروژن است که از واژه یونانی πνίγειν به معنای «خفه کردن» گرفته شده است.

اصطلاح انگلیسی «نیتروژن» که در سال 1794 معرفی شد، از واژه فرانسوی nitre فرانسوی (نیترات پتاسیم، همچنین به عنوان saltpetre شناخته می شود) را با پسوند فرانسوی -gène، به معنی "تولید کننده، ژن" که خود "γεν-یس" است، ترکیب کرد. قصد چپال این بود که بیان کند که نیتروژن جزء ضروری اسید نیتریک است که متعاقباً از نیتر تولید می شود. از نظر تاریخی، نیتر به اشتباه با «ناترون» مصری (کربنات سدیم)، که در یونانی به عنوان νίτρον (نیترون) نامیده می‌شود، ترکیب می‌شد، که علی‌رغم اسمش، فاقد هر گونه نیترات بود.

کاربردهای اولیه نظامی، صنعتی و کشاورزی از ترکیبات نیتروژن عمدتاً از نیتراتیت نیتراتیت یا sohertratetes استفاده می‌شد. عمدتاً در تولید باروت و متعاقباً به عنوان کود. در سال 1910، لرد ریلی مشاهده کرد که یک تخلیه الکتریکی که از گاز نیتروژن عبور می کند، "نیتروژن فعال" تولید می کند، یک آلوتروپ تک اتمی عنصر. «ابر چرخان نور زرد درخشان» که از دستگاه او سرچشمه می‌گیرد، متعاقباً با جیوه واکنش داد و نیترید جیوه انفجاری تولید کرد.

برای مدت طولانی، در دسترس بودن ترکیبات نیتروژن محدود بود. منابع طبیعی یا از فرآیندهای بیولوژیکی و یا از ذخایر نیتراتی که از طریق واکنش های جوی تشکیل شده اند، به دست آمده اند. فرآیندهای تثبیت نیتروژن صنعتی، مانند فرآیند فرانک-کارو (1895-1899) و فرآیند هابر-بوش (1908-1913)، این کمبود ترکیبات نیتروژن را کاهش داد. در نتیجه، تقریباً نیمی از تولید جهانی غذا در حال حاضر به کودهای نیتروژن مصنوعی بستگی دارد. همزمان، اجرای فرآیند Ostwald (1902) برای تولید نیترات از نیتروژن ثابت صنعتی، تولید صنعتی در مقیاس بزرگ نیترات‌ها را تسهیل کرد و به عنوان ماده اولیه مواد منفجره در طول جنگ‌های جهانی قرن بیستم عمل کرد.

خواص

ویژگی های اتمی

یک اتم نیتروژن دارای هفت الکترون است. پیکربندی الکترون حالت پایه آن 1s²
2s§11^{12s< style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">}2p§2021§
_x2p§3132§
_y2p§4243§
_z. در نتیجه، دارای پنج الکترون ظرفیتی است که در اوربیتال‌های 2s و 2p توزیع شده‌اند که سه تای آن (الکترون‌های p) جفت نشده باقی می‌مانند. نیتروژن یکی از بالاترین الکترونگاتیوی ها را در بین همه عناصر نشان می دهد که 04/3 را در مقیاس پاولینگ ثبت می کند، مقداری که فقط کلر (16/3)، اکسیژن (44/3) و فلوئور (98/3) از آن بیشتر است. گازهای نجیب سبک تر، به ویژه هلیوم، نئون، و آرگون نیز دارای مقادیر الکترونگاتیوی بالاتری هستند، واقعیتی که توسط مقیاس آلن تأیید شده است. مطابق با روندهای تناوبی، شعاع کووالانسی تک پیوندی آن 71 pm است که کوچکتر از بور (84 pm) و کربن (76 pm) و در عین حال بزرگتر از اکسیژن (66 pm) و فلوئور (57 pm) است. برعکس، آنیون نیترید، N^3-، در ساعت 146 بعد از ظهر به طور قابل توجهی بزرگتر است، که با آنیون های اکسید (O^2-: 140 بعد از ظهر) و فلوراید (F^-: 133 بعد از ظهر) قابل مقایسه است. سه انرژی یونیزاسیون اولیه برای نیتروژن به صورت 1.402، 2.856 و 4.577 MJ·mol⁻¹ ثبت شده است که مجموع انرژی های یونیزاسیون چهارم و پنجم به 16.920 MJ·mol-mol ^{می رسد. این مقادیر فوق‌العاده بالا از نشان دادن شیمی کاتیونی ساده نیتروژن جلوگیری می‌کند. عدم وجود گره های شعاعی در زیر پوسته 2p مستقیماً به دلیل ویژگی های غیرعادی متعددی است که در ردیف اول عناصر بلوک p، به ویژه نیتروژن، اکسیژن و فلوئور مشاهده شده است. پوسته فرعی 2p به طور قابل توجهی فشرده است و دارای شعاع بسیار شبیه به پوسته 2s است، در نتیجه هیبریداسیون مداری را ترویج می کند. علاوه بر این، این پیکربندی نیروهای جاذبه الکترواستاتیکی قابل توجهی را بین هسته و الکترون‌های ظرفیت در پوسته‌های 2s و 2p ایجاد می‌کند که منجر به الکترونگاتیوهای فوق‌العاده بالایی می‌شود. به همین دلیل، hypervalency تقریباً در بین عناصر 2p وجود ندارد. الکترونگاتیوی برجسته مانع از عملکرد یک اتم نیتروژن کوچک به عنوان یک اتم مرکزی در یک پیوند چهار الکترونی سه مرکزی غنی از الکترون می شود، با توجه به تمایل قوی آن به کشیدن الکترون ها به سمت خود. در نتیجه، علی‌رغم قرارگیری نیتروژن در راس گروه 15 در جدول تناوبی، رفتار شیمیایی آن به طور قابل‌توجهی با رفتار شیمیایی سنگین‌تر آن، از جمله فسفر، آرسنیک، آنتیموان و بیسموت تفاوت دارد. و اکسیژن، و همچنین همنوع های عمودی آن در گروه پنیکتوژن: فسفر، آرسنیک، آنتیموان و بیسموت. در حالی که هر عنصر دوره 2، از لیتیوم تا اکسیژن، شباهت های خاصی به عنصر دوره 3 در گروه بعدی دارد (از منیزیم تا کلر، پدیده ای که روابط مورب نامیده می شود)، میزان این شباهت ها به شدت فراتر از جفت بور-سیلیکون کاهش می یابد. شباهت های شیمیایی بین نیتروژن و گوگرد عمدتاً به ترکیبات حلقه نیترید گوگرد محدود می شود، به ویژه زمانی که این دو عنصر تنها اجزای تشکیل دهنده را تشکیل می دهند.}

نیتروژن مانند کربن تمایلی به کاتناسیون از خود نشان نمی دهد. مشابه کربن، نیتروژن معمولاً در هنگام واکنش با فلزات ترکیبات یونی یا فلزی را تشکیل می دهد. نیتروژن همچنین آرایه وسیعی از نیتریدها را با کربن تولید می کند که ساختارهای زنجیره مانند، گرافیتی و فولرنیک را در بر می گیرد.

نیتروژن شباهت‌هایی با اکسیژن دارد، به ویژه الکترونگاتیوی بالای آن، که پیوند هیدروژنی را ممکن می‌سازد، و ظرفیت آن برای تشکیل کمپلکس‌های هماهنگی از طریق اهدای جفت‌های الکترون تنها آن. شباهت های قابل توجهی بین رفتارهای شیمیایی آمونیاک (NH₃) و آب (H₂O) وجود دارد. به عنوان مثال، هر دو ترکیب می توانند برای تولید NH₄⁺ و H§89§O⁺ تحت پروتونه شدن قرار گیرند، یا برای تولید NH§12_{13§^- و OH⁻، که همه این گونه‌ها در حالت جامد هستند، پروتونه می‌شوند. ترکیبات.}

نیتروژن تمایل به تشکیل پیوندهای متعدد، به ویژه با کربن، اکسیژن، یا سایر اتم‌های نیتروژن را نشان می‌دهد که توسط فعل و انفعالات p_π–p_π تسهیل می‌شود، مشخصه‌ای که با همسایگان جدول تناوبی افقی آن مشترک است. در نتیجه، نیتروژن به‌عنوان مولکول‌های دو اتمی وجود دارد و در نتیجه نقطه ذوب (-210 درجه سانتیگراد) و نقطه جوش (-196 درجه سانتیگراد) در مقایسه با سایر عناصر گروه خود به طور قابل توجهی کمتر است. این به این دلیل است که مولکول‌های N§89 عمدتاً توسط نیروهای ضعیف واندروالس تثبیت می‌شوند، با در دسترس بودن محدود الکترون برای تولید دوقطبی‌های آنی قابل‌توجه. این رفتار مولکولی به شدت با همسایگان عمودی خود در تضاد است، زیرا طیف متنوعی از ترکیبات نیتروژن - از جمله اکسیدها، نیتریت‌ها، نیترات‌ها، نیترو-، نیتروز-، آزو-، دیازو-ترکیبات، آزیدها، سیانات‌ها، تیوسیانات‌ها و مشتقات ایمینو- فاقد آنتی‌فورس مشابه و مشابه هستند بیسموت برعکس، ماهیت پیچیده اکسواسیدهای فسفر هیچ معادلی در شیمی نیتروژن ندارد. علی‌رغم این تفاوت‌ها، نیتروژن و فسفر مجموعه وسیعی از ترکیبات را تشکیل می‌دهند که دارای ساختارهای زنجیره‌ای، حلقه‌ای و قفسی هستند.

این بخش جدولی را ارائه می‌کند که جزئیات خواص حرارتی و فیزیکی نیتروژن (N₂) را تحت فشار اتمسفر نشان می‌دهد.

ایزوتوپ های نیتروژن

نیتروژن دارای دو ایزوتوپ پایدار است: ¹⁴N و ¹⁵N. اولی ایزوتوپ غالب را تشکیل می دهد که 99.634٪ از نیتروژن طبیعی را تشکیل می دهد، در حالی که دومی که کمی سنگین تر است، 0.366٪ باقی مانده را تشکیل می دهد. این توزیع ایزوتوپی منجر به وزن اتمی تقریبی 14.007 u می شود. هر دو ایزوتوپ پایدار از چرخه CNO در ستارگان سرچشمه می گیرند. با این حال، ¹⁴N شایع تر است زیرا واکنش جذب پروتون آن مرحله محدود کننده سرعت در چرخه است. قابل توجه، ¹⁴N به عنوان یکی از تنها پنج هسته پایدار فرد-فرد (هسته‌های حاوی تعداد فرد پروتون و نوترون)، در کنار §8^{9§H، §1011§Li، §1213§B، و 180mTa.}

در حالی که فراوانی نسبی ¹⁴N و ¹⁵N تا حد زیادی در اتمسفر ثابت باقی می‌ماند، می‌تواند در محیط‌های دیگر تغییرپذیری نشان دهد. این تغییرات ناشی از فرآیندهای شکنش طبیعی ایزوتوپی، از جمله واکنش‌های ردوکس بیولوژیکی و تبخیر آمونیاک یا اسید نیتریک طبیعی است. واکنش‌های با واسطه بیولوژیکی، مانند جذب، نیتریفیکاسیون، و نیترات زدایی، کنترل قابل‌توجهی بر پویایی نیتروژن در اکوسیستم‌های خاک اعمال می‌کنند. به طور مشخص، این واکنش ها منجر به غنی شدن ¹⁵N در بستر و کاهش متناظر در محصول می شود.

ایزوتوپ سنگین تر، ¹⁵N، در ابتدا توسط S. M. Naudé در سال 1929 شناسایی شد، قبل از کشف بعدی ایزوتوپ های سنگین برای عناصر مجاور اکسیژن و کربن. این ایزوتوپ یکی از پایین‌ترین سطح مقطع جذب نوترون حرارتی را در بین تمام ایزوتوپ‌های شناخته شده نشان می‌دهد. اسپین هسته ای کسری آن به اندازه یک دوم، آن را به ابزاری ارزشمند در طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته ای (NMR) برای روشن ساختن ساختار مولکول های حاوی نیتروژن تبدیل می کند و مزایایی مانند عرض خطوط طیفی باریک تر را ارائه می دهد. در مقابل، ¹⁴N، در حالی که از نظر تئوری قابل استفاده است، دارای یک عدد صحیح اسپین هسته ای است که منجر به یک گشتاور چهار قطبی می شود که طیف گسترده تر و اطلاعات کمتری را تولید می کند. با وجود کاربرد آن، طیف‌سنجی NMR ¹⁵ چالش‌هایی را ارائه می‌کند که معمولاً در تکنیک‌های رایج‌تر §67§H و ¹³C NMR با آن مواجه نمی‌شوند. فراوانی طبیعی ذاتاً کم ¹⁵N (0.36٪) به طور قابل ملاحظه ای حساسیت را کاهش می دهد، موضوعی که با نسبت ژیرو مغناطیسی پایین آن که فقط 10.14٪ نسبت §1213 §H است، بیشتر می شود. در نتیجه، نسبت سیگنال به نویز برای §1415§H تقریباً 300 برابر بیشتر از §1617§N در قدرت میدان مغناطیسی معادل است. این محدودیت حساسیت را می توان تا حدی از طریق غنی سازی ایزوتوپی §1819§N از طریق تبادل شیمیایی یا تقطیر کسری کاهش داد. مزیت متمایز ترکیبات غنی شده با §2021§N پایداری آنها در شرایط استاندارد است، زیرا اتم های نیتروژن آنها بر خلاف ترکیبات حاوی ایزوتوپ های هیدروژن، کربن و اکسیژن نشاندار شده که نیاز به جداسازی از جو دارند، با نیتروژن اتمسفر مبادله شیمیایی نمی کنند. نسبت §2223§N:§24^{25§N یک معیار استاندارد در تجزیه و تحلیل ایزوتوپ های پایدار در رشته هایی مانند ژئوشیمی، هیدرولوژی، دیرینه اقلیم شناسی و دیرین اقیانوس شناسی است که در آن به عنوان δ§28}29§N نامیده می شود.

در میان سیزده ایزوتوپ دیگر تولید شده مصنوعی، از ⁹N تا ²³N، ¹³N نیمه عمر ده دقیقه را نشان می دهد، در حالی که تمام ایزوتوپ های دیگر نیمه عمر کمتر از هشت ثانیه دارند. این تفاوت قابل توجه در نیمه عمر، ¹³N را تبدیل به مهم ترین ایزوتوپ رادیویی نیتروژن می کند. نیمه عمر نسبتاً طولانی آن، کاربرد آن را در توموگرافی انتشار پوزیترون (PET) ممکن می سازد. با این حال، به دلیل نیمه عمر ذاتاً کوتاه، ¹³N نیاز به تولید در محل در تأسیسات PET دارد، که معمولاً در یک سیکلوترون از طریق بمباران پروتون ¹⁶O حاصل می شود، که ¹³N و یک ذره آلفا را فشار می دهد که مجدداً عملیات نرمال شده را فشار می دهد.

(PWRs) و راکتورهای آب جوش (BWRs)، رادیوایزوتوپ ¹⁶N رادیونوکلئید غالب در خنک کننده را تشکیل می دهد. تشکیل آن از ¹⁶O موجود در آب از طریق یک واکنش (n,p) رخ می دهد، که در آن یک اتم ¹⁶O یک نوترون را می گیرد و متعاقباً یک پروتون ساطع می کند. علیرغم نیمه عمر کوتاه آن تقریباً 7.1 ثانیه، فرآیند فروپاشی آن که به ¹⁶O برمی‌گردد، تابش گامای پرانرژی تولید می‌کند که معمولاً از 5 تا 7 مگا ولت متغیر است. در نتیجه، دسترسی به لوله‌کشی خنک‌کننده اولیه در PWR‌ها باید در طول کارکرد نیرو راکتور به شدت محدود شود. علاوه بر این، ¹⁶N به عنوان یک نشانگر بسیار حساس و فوری برای نشت از سیستم خنک کننده اولیه به چرخه بخار ثانویه عمل می کند، که نشان دهنده روش اصلی برای تشخیص چنین نقض هایی است.

آلوتروپ

نیتروژن اتمی، که به آن نیتروژن فعال نیز می‌گویند، واکنش‌پذیری شدیدی از خود نشان می‌دهد و به دلیل سه الکترون جفت‌نشده‌اش، به عنوان یک سه رادیکال عمل می‌کند. تک تک اتم های نیتروژن به راحتی در واکنش با اکثر عناصر شرکت می کنند که منجر به تشکیل نیتریدها می شود. علاوه بر این، برخورد دو اتم نیتروژن آزاد، که یک مولکول N₂ برانگیخته را تشکیل می‌دهد، می‌تواند انرژی کافی را پس از برخورد با مولکول‌های پایدار مانند دی اکسید کربن و آب آزاد کند تا شکافت همولیتیک را القا کند و رادیکال‌هایی مانند CO و O، یا OH و H را ایجاد کند. سنتز گاز نیتروژن در فشار اتمی در حال عبور از نیتروژن است. 0.1-2 میلی متر جیوه این فرآیند باعث تولید نیتروژن اتمی همراه با انتشار زرد هلویی می شود که پس از قطع شدن تخلیه، به تدریج به عنوان یک درخشش پس از آن برای چند دقیقه کاهش می یابد.

بر خلاف واکنش پذیری بالای نیتروژن اتمی، نیتروژن عنصری عمدتاً به شکل مولکولی N₂ که به عنوان دینیتروژن شناخته می شود وجود دارد. در شرایط استاندارد، این مولکول به صورت گازی بی رنگ، بی بو، بی مزه و دیا مغناطیسی است که نقطه ذوب 210- درجه سانتی گراد و نقطه جوش 196- درجه سانتی گراد را نشان می دهد. در حالی که دی نیتروژن در دمای محیط تا حد زیادی غیر فعال است، اما در واکنش با فلز لیتیوم و مجتمع های فلزات واسطه خاص شرکت می کند. این ویژگی به ساختار پیوند متمایز آن نسبت داده می شود، که در بین عناصر دو اتمی در شرایط استاندارد، دارای یک پیوند سه گانه N≡N است. پیوندهای سه گانه با طول پیوند کوتاه (مخصوصاً 109.76 بعد از ظهر در دی نیتروژن) و انرژی های تفکیک بالا (945.41 کیلوژول بر مول) مشخص می شوند که آنها را بسیار قوی می کند و در نتیجه واکنش شیمیایی محدود دی تروژن را به حساب می آورد.

تحت فشار اتمسفر، نیتروژن مولکولی در دمای 77 K (195.79- درجه سانتیگراد) تحت چگالش (مایع شدن) قرار می گیرد و در دمای 63 K (210.01- درجه سانتیگراد) جامد می شود و فرم آلوتروپیک کریستال بسته شش ضلعی بتا را اتخاذ می کند. در دماهای کمتر از 35.4 کلوین (237.6- درجه سانتیگراد)، نیتروژن به شکل آلوتروپیک کریستال مکعبی تبدیل می شود که به عنوان فاز آلفا تعیین می شود. نیتروژن مایع، مایعی بی رنگ که از لحاظ بصری شبیه به آب است، اما دارای 80.8 درصد چگالی آن (به طور خاص، 0.808 گرم در میلی لیتر در نقطه جوش) است، به طور گسترده به عنوان کرایوژن استفاده می شود. نیتروژن جامد تغییرات کریستالی متعددی را نشان می دهد. این یک پوشش سطحی قابل توجه و پویا بر روی اجرام آسمانی مانند پلوتون و قمرهای بیرونی منظومه شمسی مانند تریتون است. علیرغم دمای بسیار پایین که مشخصه نیتروژن جامد است، به طور قابل توجهی فرار باقی می ماند و قادر به تصعید برای ایجاد جو یا تراکم مجدد به عنوان یخ زدگی نیتروژن است. این شکل جامد به طور مشخص ضعیف است و در سازندهای یخبندان جریان دارد و در تریتون، آبفشان های گاز نیتروژن از ناحیه کلاهک یخی قطبی آن ساطع می شود.

اشکال آلوتروپیک اضافی نیتروژن یا وجود دارند یا از طریق مدل سازی نظری مورد بررسی قرار گرفته اند. فراتر از دیتروژن، محققان به طور مداوم سعی در سنتز و تثبیت سایر آلوتروپ های خنثی داشته اند، که عموماً به طور قابل توجهی پایدارتر هستند و اغلب فقط به صورت گذرا یا تحت پارامترهای محیطی شدید باقی می مانند. چنین ترکیباتی به عنوان مواد دارای چگالی انرژی فوق‌العاده بالا، مناسب برای استقرار به عنوان پیشرانه‌های قوی یا مواد منفجره، کاربرد بالقوه‌ای دارند.

سنتز هگزانیتروژن (N₆)، یک مولکول نسبتاً پایدار از نظر ساختاری مشابه با یک دایمر آزیدی، در مستند شده است.

شیمی و ترکیبات

کمپلکس های دی نیتروژن

کمپلکس اولیه دیتروژن شناسایی شده [Ru(NH₃)₅(N§4_{5§)]²⁺ بود، با تعداد زیادی کمپلکس مشابه که متعاقباً کشف شد. این کمپلکس‌ها که با مولکول نیتروژن اهداکننده حداقل یک جفت الکترون به یک کاتیون فلزی مرکزی مشخص می‌شوند، بینشی در مورد مکانیسم‌های اتصال بالقوه N§89§ به مراکز فلزی در نیتروژناز و کاتالیزور فرآیند هابر ارائه می‌دهند. چنین فرآیندهای فعال سازی دیتروژن در سیستم های بیولوژیکی و برای تولید کود بسیار مهم هستند.}

Dinitrogen پنج حالت هماهنگی متمایز را با مراکز فلزی نشان می دهد. گسترده‌ترین حالت‌ها شامل M←N≡N انتهایی (η§23§) و پل زدن M←N≡N→M (μ، bis-η§89§)، که در آن جفت‌های تنها از اتم‌های نیتروژن به فلز اهدا می‌شوند. حالت‌های هماهنگی کمتر مشخص‌شده شامل اهداکننده دی‌نیتروژن جفت‌های الکترون از پیوند سه‌گانه‌اش است که یا به‌عنوان یک لیگاند پل زدنی به دو کاتیون فلزی (μ، bis-η§14^{15§) یا به یک کاتیون فلزی منفرد (η§181) عمل می‌کند. پنجمین روش هماهنگی منحصر به فرد مستلزم هماهنگی سه گانه به عنوان یک لیگاند پل زدن است که در آن هر سه جفت الکترون از پیوند سه گانه اهدا می شوند (μ§2223§-N§2425§). برخی از کمپلکس‌ها دارای لیگاندهای متعدد N§2627§ هستند، در حالی که برخی دیگر N§2829§ را از طریق حالت‌های هماهنگی مختلف پیوند می‌دهند. با توجه به اینکه N§3031§ ایزوالکترونیک است با مونوکسید کربن (CO) و استیلن (C§3233§H§3435§)، ویژگی های پیوندی کمپلکس های دی نیتروژن مشابه آنهایی است که در ترکیبات کربونیل یافت می شوند، علیرغم وجود N§3637> π-پذیرنده در مقایسه با CO. بررسی‌های نظری نشان می‌دهد که اهدای σ تعیین‌کننده‌تری برای تشکیل پیوند M-N نسبت به اهدای پشتی π است، که در درجه اول به تضعیف پیوند N-N کمک می‌کند. علاوه بر این، اهدای نهایی (η§4849§) راحت‌تر از اهدای جانبی (η§5253§) انجام می‌شود. همه فلزات واسطه، شامل صدها ترکیب متمایز. سنتز آنها معمولاً از سه روش اصلی استفاده می کند:}

1. جایگزینی مستقیم لیگاندهای حساس، از جمله H₂O، H⁻، یا CO، با دی نیتروژن. این واکنش ها اغلب برگشت پذیر هستند و در شرایط خفیف رخ می دهند.
2. کاهش کمپلکس های فلزی در حضور بیش از حد یک هم لیگاند مناسب در فضای نیتروژن. یک استراتژی متداول شامل جایگزینی لیگاندهای کلرید با دی متیل فنیل فسفین (PMe₂Ph) برای جبران کاهش تعداد لیگاندهای نیتروژن در مقایسه با لیگاندهای کلر اصلی است.
3. تبدیل مستقیم لیگاندهای حاوی پیوند N-N، مانند هیدرازین یا آزید، به لیگاند دی نیتروژن.

به ندرت، پیوند N≡N می تواند *درجا* در یک مجتمع فلزی ایجاد شود، برای مثال، از طریق واکنش مستقیم آمونیاک هماهنگ (NH₃) با اسید نیتروژن (HNO₂). با این حال، این روش فاقد کاربرد گسترده است. اکثر کمپلکس های دی نیتروژن رنگ های سفید، زرد، نارنجی، قرمز و قهوه ای را نشان می دهند. استثناهای قابل توجه عبارتند از [{Ti(η§67§-C§89§H§1011§)§12_{13§}§1415§-(N§1617§)].}

نیتریدها، آزیدها، و مجتمع های نیتریدو

نیتروژن تقریباً با همه عناصر جدول تناوبی، به استثنای هلیوم، نئون و برخی عناصر بسیار ناپایدار فراتر از بیسموت، پیوند ایجاد می کند. این واکنش‌پذیری گسترده، آرایه وسیعی از ترکیبات دوتایی با خواص و کاربردهای متنوع به دست می‌دهد. ترکیبات دوتایی متعددی شناسایی شده است. به استثنای هیدریدهای نیتروژن، اکسیدها و فلوریدها، اینها به طور کلی به عنوان نیترید شناخته می شوند. برای اکثر عناصر، فازهای استوکیومتری متعددی معمولاً وجود دارد (مانند MnN، Mn₆N₅، Mn§45§N§6_{7§، Mn§89§N، Mn§1011§N، و Mn6N5، Mn§45§N§67§، Mn§89§N، Mn§1011§N، و Mn2. x < 25.3). این ترکیبات را می توان به عنوان "نمک مانند" (عمدتا یونی)، کووالانسی، "الماس مانند" یا فلزی (بینابینی) طبقه بندی کرد. با این حال، این سیستم طبقه‌بندی دارای محدودیت‌های ذاتی است، در درجه اول به دلیل ماهیت پیوسته انواع پیوند به جای دسته‌های مجزا و مجزا که پیشنهاد می‌کند. سنتز آنها معمولاً شامل واکنش مستقیم یک فلز با نیتروژن یا آمونیاک (که گاهی نیاز به حرارت دارد)، یا از طریق تجزیه حرارتی آمیدهای فلزی است:}

3 Ca + N₂ → Ca₃N§4_5§

3 Mg + 2 NH₃ → Mg₃N§4_{5§ + 3 H§67§ (در دمای 900 درجه سانتیگراد)}

3 Zn(NH₂)₂ → Zn§45§N§6_{7§ + 4 NH§8}9§

تنوعات متعددی از این فرآیندهای مصنوعی وجود دارد. بیشترین نیتریدهای یونی توسط فلزات قلیایی و فلزات قلیایی خاکی تشکیل می شوند که نمونه آن Li₃N است (به ویژه، Na، K، Rb، و Cs به دلیل محدودیت های فضایی نیتریدهای پایداری تشکیل نمی دهند) و M₃N§4_{5S,M,M,Mg نشان دهنده 5,M,M,C می باشد. به طور رسمی، این ترکیبات را می توان به عنوان نمک های حاوی آنیون N^3- تصور کرد، علیرغم این واقعیت که جداسازی بار کامل حتی با این عناصر بسیار الکترومثبت به دست نمی آید. برعکس، آزیدهای فلز قلیایی، مانند NaN§8}9§ و KN§1011§، که ترکیب خطی N^{−
خطی هستند. آنیون، در کنار Sr(N§2324§)§25_{26§ و Ba(N§27}28§)§29_{30§ به طور گسترده مستند شده اند. آزیدهای مشتق شده از فلزات زیرگروه B (عناصر در گروه های 11 تا 16) خصوصیات یونی کاهش یافته قابل توجهی از خود نشان می دهند، آرایش های ساختاری پیچیده تری دارند و در اثر شوک مکانیکی مستعد انفجار هستند.}}

تعداد قابل توجهی از نیتریدهای دوتایی کووالانسی شناسایی شده است. نمونه‌های توضیحی شامل سیانوژن ((CN)₂)، پنتانیترید تری فسفر (P₃N₅)، دی گوگرد دی‌نیترید (S§6_{7§N§89§)، و تترا گوگرد تترانی است. (S§1011§N§1213§). علاوه بر این، نیترید سیلیکون عمدتا کووالانسی (Si§1415§N§1617§) و نیترید ژرمانیوم (Ge§1819§N§2021§) شناسایی می شوند. نیترید سیلیکون، به طور خاص، دارای پتانسیل به عنوان یک ماده سرامیکی با ارزش است که تنها با چالش در پردازش و پخت آن مانع می شود. قابل توجه، نیتریدهای گروه 13، که بسیاری از آنها خواص نیمه هادی امیدوارکننده ای از خود نشان می دهند، با گرافیت، الماس و کاربید سیلیکون ایزوالکترونیک هستند و ویژگی های ساختاری مشابهی دارند. انتقال پیوند آنها از کووالانسی به تا حدی یونی و سپس به فلز پایین گروه. به طور خاص، با توجه به اینکه واحد B-N با C-C ایزوالکترونیک است، و اندازه اتمی کربن تقریباً حدواسط بین بور و نیتروژن است، بخش قابل توجهی از شیمی آلی شباهت هایی را در شیمی بور-نیتروژن پیدا می کند که نمونه بارز آن ترکیباتی مانند بورازین (اغلب "بنزن معدنی" نامیده می شود). با این حال، این قیاس مطلق نیست، در درجه اول به این دلیل که کمبود الکترون بور حمله هسته دوست را تسهیل می‌کند، پدیده‌ای که در سیستم‌های حلقه‌ای کاملا کربنی مشاهده نمی‌شود. M4N (اگرچه تنوع ترکیبی رایج است)، که در آن اتم‌های نیتروژن کوچک، فواصل درون یک شبکه فلزی مکعبی یا شش ضلعی را اشغال می‌کنند. این ترکیبات کدورت، سختی استثنایی و بی اثری شیمیایی با نقاط ذوب معمولاً بیش از 2500 درجه سانتیگراد از خود نشان می دهند. آنها با داشتن درخشندگی فلزی، رسانایی الکتریکی مشابه فلزات را نشان می دهند. هیدرولیز بسیار تدریجی انجام می شود و آمونیاک یا نیتروژن تولید می کند.}

آنیون نیترید (N^3-) قوی ترین لیگاند دهنده π شناسایی شده تا به امروز است که O^2- دومین لیگاند قوی است. کمپلکس‌های نیتریدو معمولاً از طریق تجزیه حرارتی آزیدها یا از طریق پروتون‌زدایی آمونیاک سنتز می‌شوند که معمولاً دارای یک گروه پایانی {≡N}^3- هستند. آنیون آزید خطی (N⁻
§1415§
)، که ایزوالکترونیک، تشکیل دی اکسیدات کربنی، کربنیک، کربنات، کربنات، دی اکسیدات، کربنات و دی اکسیداته است. مجتمع های هماهنگی متعدد همخوانی گسترده غیرمعمول است، اگرچه وجود N⁴⁻
§25^26§26 §

هیدریدها

آمونیاک (NH₃) به‌عنوان گسترده‌ترین ترکیب نیتروژن تولید شده از اهمیت صنعتی بالایی برخوردار است، در درجه اول به دلیل نقش حیاتی آن در حمایت از حیات زمینی از طریق کاربرد آن در تولید مواد غذایی و کودها. این ماده به صورت یک گاز بی رنگ و قلیایی ظاهر می شود که با بوی تند مشخص مشخص می شود. وجود پیوند هیدروژنی عمیقاً بر خواص فیزیکی آمونیاک تأثیر می گذارد، به ویژه اینکه نقطه ذوب آن را به -78 درجه سانتیگراد و نقطه جوش آن را به -33 درجه سانتیگراد افزایش می دهد. آمونیاک در حالت مایع خود به عنوان یک حلال عالی عمل می کند و دارای گرمای تبخیر بالایی است – خاصیتی که در فلاسک های خلاء مورد استفاده قرار می گیرد – همراه با ویسکوزیته کم، حداقل رسانایی الکتریکی، ثابت دی الکتریک بالا و چگالی کمتر از آب. با این وجود، پیوند هیدروژنی در NH₃ نسبتاً ضعیف‌تر از آنچه در H§4_{5§O مشاهده شده است. این تفاوت از الکترونگاتیوی پایین نیتروژن نسبت به اکسیژن و وجود تنها یک جفت تنها در NH§6}7§ ناشی می‌شود، در تضاد با دو در H§8<sub>9§O. در محلول های آبی، آمونیاک به عنوان یک باز ضعیف عمل می کند و pKb 4.74 را نشان می دهد. اسید مزدوج مربوط به آن یون آمونیوم است، NH⁺
§2223§. برعکس، همچنین می‌تواند به‌عنوان یک اسید بسیار ضعیف عمل کند، و برای تولید آنیون آمید، NH⁻
>
<sup>>

§3333</sup></sub>

فراتر از آمونیاک، هیدریدهای دوتایی نیتروژن متعدد دیگری وجود دارد که هیدرازین (N₂H₄) و هیدروژن آزید (HN§45§) برجسته ترین آنها هستند. هیدروکسیل آمین (NH§6_{7§OH)، اگرچه به عنوان یک هیدرید نیتروژن طبقه بندی نمی شود، اما شباهت های ساختاری و خصوصیاتی با آمونیاک و هیدرازین دارد. هیدرازین به صورت مایعی دوددار و بی رنگ با بویی شبیه آمونیاک ظاهر می شود. ویژگی های فیزیکی آن کاملاً موازی با آب است و دارای نقطه ذوب 2.0 درجه سانتی گراد، نقطه جوش 113.5 درجه سانتی گراد و چگالی 1.00 گرم بر سانتی متر §8}9§ است. با وجود طبیعت گرماگیر، هیدرازین پایداری جنبشی را نشان می دهد. احتراق سریع و کامل در هوا انجام می شود و گرمای قابل توجهی برای تولید نیتروژن و بخار آب آزاد می کند. این ماده به عنوان یک عامل کاهنده بسیار موثر و سازگار عمل می کند، همچنین در مقایسه با آمونیاک پایه ضعیف تری است. علاوه بر این، هیدرازین به عنوان پیشران موشک کاربرد گسترده ای پیدا می کند.

هیدرازین معمولاً از طریق واکنش آمونیاک با هیپوکلریت سدیم قلیایی سنتز می شود که با حضور ژلاتین یا چسب تسهیل می شود:

NH₃ + OCl⁻ → NH§4^{5§Cl + OH−}

NH₂Cl + NH₃ → N
§1010_{11 style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">+
§1920§ + Cl⁻ (کند)}

N
§67§H⁺
§15
16§ + OH⁻ → N§2223§H§2425§S+ (سریع)

از طرف دیگر، توالی حملات هیدروکسید و آمونیاک را می توان معکوس کرد که منجر به تشکیل NHCl واسطه می شود^-. گنجاندن ژلاتین بسیار مهم است زیرا یون های فلزی، به ویژه Cu²⁺ را که به تجزیه هیدرازین کاتالیز می کنند، جدا می کند. این تجزیه از طریق واکنش با مونوکلرامین (NH§4^{5§Cl)، و تولید کلرید آمونیوم و نیتروژن رخ می دهد.}

آزید هیدروژن (HN₃) ابتدا در سال 1890 از طریق اکسیداسیون هیدرازین آبی توسط اسید نیتروژن سنتز شد. این ترکیب بسیار انفجاری است و حتی محلول های رقیق نیز خطرات قابل توجهی را به همراه دارند. بوی نامطبوع و تحریک‌کننده‌ای منتشر می‌کند و به عنوان سم بالقوه کشنده، هرچند غیر تجمعی، طبقه‌بندی می‌شود. از نظر ساختاری و شیمیایی، می توان آن را به عنوان اسید مزدوج آنیون آزید در نظر گرفت که مشابه اسیدهای هیدروهالیک را نشان می دهد.

هالیدها و اگزوهالیدها

هر چهار تری هالید اصلی نیتروژن شناسایی شده اند. در حالی که چندین هالید مخلوط و هیدروهالید شناخته شده اند، آنها به طور کلی ناپایداری را نشان می دهند. نمونه های قابل توجه شامل NClF₂، NCl₂F، NBrF§4_{5§، NF§67§H، NFH§89§، NCl§1011§H، و NClH§1213§.}

تری فلوراید نیتروژن (NF₃)، که ابتدا در سال 1928 سنتز شد، گازی از نظر ترمودینامیکی پایدار، بی رنگ و بی بو است. روش تولید اولیه آن شامل الکترولیز فلوراید آمونیوم مذاب حل شده در هیدروژن فلوراید بی آب است. مشابه تترا فلوراید کربن، حداقل واکنش پذیری را نشان می دهد و در حضور آب، اسیدهای آبی رقیق یا قلیاها پایداری خود را حفظ می کند. عملکرد آن به عنوان یک عامل فلوئوردار منحصراً پس از گرم شدن مشاهده می شود، جایی که با مس، آرسنیک، آنتیموان و بیسموت در دماهای بالا واکنش می دهد و تترافلوروهیدرازین تولید می کند (N₂F₄). کاتیون های NF⁺
§12_13§ و N
§23_24§F⁺
§3233§ نیز شناسایی شده است. دومی از واکنش تترا فلوروهیدرازین با گیرنده های فلوراید قوی مانند پنتا فلوراید آرسنیک تشکیل می شود. علاوه بر این، ONF§3738§ شناخته شده است، که به دلیل فاصله بسیار کوتاه N-O، که نشان دهنده پیوند دوگانه جزئی، و پیوند N-F دراز و بسیار قطبی آن است، توجه را به خود جلب می کند. بر خلاف هیدرازین، تترافلوروهیدرازین قادر به تفکیک در دمای محیط یا بالاتر از آن است و رادیکال NF§39_{40§• را تولید می کند. فلوئور آزید (FN§41}42§) با انفجار شدید و ناپایداری حرارتی مشخص می شود. دی نیتروژن دی فلوراید (N§43_{44§F§4546§) در اشکال ایزومر cis و trans قابل تبدیل حرارتی ظاهر می شود، که در ابتدا به عنوان یک محصول جانبی از تجزیه حرارتی FN§5152§plorch. (NCl3) مایعی متراکم، فرار و انفجاری است که دارای خواص فیزیکی مشابه تتراکلرید کربن است. با این حال، یک تمایز کلیدی این است که NCl3 به راحتی در آب تحت هیدرولیز قرار می گیرد، در حالی که CCl4 چنین نمی کند. سنتز اولیه آن در سال 1811 توسط پیر لوئیز دولنگ انجام شد که به دلیل ماهیت انفجاری آن سه انگشت و یک چشم خود را از دست داد. در حالت گازی رقیق، خطرات کمتری ایجاد می کند و در نتیجه به صورت صنعتی برای سفید کردن و استریل کردن آرد استفاده می شود. تری برومید نیتروژن (NBr§67§)، که برای اولین بار در سال 1975 سنتز شد، یک جامد فرار، قرمز تیره، حساس به دما، است که خواص انفجاری خود را حتی در 100- درجه سانتیگراد حفظ می کند. تری یدید نیتروژن (NI§89§) ناپایداری حتی بیشتر از خود نشان می دهد و آماده سازی آن تنها در سال 1990 انجام شد. ترکیب آمونیاکی آن، که قبل از خود تری یدید شناسایی شده بود، بسیار حساس به شوک است و می تواند با حداقل محرک ها مانند لمس یک پر، جریان های ظریف هوا، یا حتی آلفا منفجر شود. در نتیجه، مقادیر کمی از تری یدید نیتروژن گاهی اوقات برای نمایش های آموزشی در شیمی دبیرستان یا به عنوان نمایش "جادوی شیمیایی" سنتز می شود. کلر آزید (ClN§1011§) و برم آزید (BrN§1213§) با حساسیت شدید و تمایلات انفجاری مشخص می شوند.}

دو سری مجزا از اکسوهالیدهای نیتروژن شناسایی شده اند: نیتروسیل هالیدها (XNO) و نیتریل هالیدها (XNO₂). نیتروسیل هالیدها گازهای بسیار واکنش پذیری هستند که از طریق هالوژناسیون مستقیم اکسید نیتروژن قابل سنتز هستند. نیتروزیل فلوراید (NOF) یک ترکیب بی رنگ است که به عنوان یک عامل فلوئور کننده قوی عمل می کند. نیتروزیل کلرید (NOCl) رفتار قابل مقایسه ای از خود نشان می دهد و اغلب به عنوان یک حلال یونیزه کننده استفاده می شود. نیتروزیل بروماید (NOBr) یک رنگ قرمز دارد. پروفایل های واکنش پذیری نیتریل هالیدها تا حد زیادی مشابه هستند: نیتریل فلوراید (FNO₂) و نیتریل کلرید (ClNO§4_{5§) به طور مشابه گازهای واکنش پذیر و عوامل هالوژنه قوی هستند.}

اکسیدها

نیتروژن به‌عنوان نه اکسید مولکولی مجزا تشکیل می‌دهد، که تعدادی از آن‌ها از اولین گازهایی بودند که مشخص شدند: N₂O (اکسید نیتروژن)، NO (اکسید نیتریک)، N₂O§45§ (تری‌اکسید دی نیتروژن)، دی‌اکسید دی‌نیتروژن>دی‌اکسید (NO§6) N§8_{9§O§1011§ (تتروکسید دی نیتروژن)، N§1213§O§1415§ (پنتوکسید دی نیتروژن)، N§1617§O (نیتروسیلازید) و N(NO§181923§O)، یک ساختار حلقه ای معطر، هنوز با موفقیت سنتز نشده است.}

اکسید نیتروژن (N₂O)، که معمولاً به عنوان گاز خنده شناخته می شود، از طریق تجزیه حرارتی نیترات آمونیوم مذاب در دمای 250 درجه سانتی گراد سنتز می شود. این فرآیند یک واکنش ردوکس را تشکیل می دهد و در نتیجه اکسید نیتریک و نیتروژن را به عنوان محصولات ثانویه تولید می کند. کاربردهای اولیه آن شامل خدمت به عنوان پیشران و عامل تهویه در خامه زده شده است و از لحاظ تاریخی به عنوان یک بی حس کننده رایج عمل می کرد. با وجود ویژگی های ساختاری، اکسید نیتروژن به عنوان انیدرید اسید هیپونیتروس طبقه بندی نمی شود (H₂N§4_{5§O§67§)، با توجه به اینکه اسید دوم از انحلال اکسید نیتروژن در محیط آبی ایجاد نمی شود. این ترکیب بی اثری قابل توجهی از خود نشان می دهد و هیچ واکنشی با هالوژن، فلزات قلیایی یا ازن در دمای محیط نشان نمی دهد، اگرچه واکنش پذیری آن با افزایش ورودی حرارتی تشدید می شود. معماری مولکولی آن نامتقارن است و به صورت N–N–O نمایش داده می‌شود (N≡N⁺O⁻↔⁻N=N⁺=O); تفکیک در بالای 600 درجه سانتیگراد از طریق برش پیوند ضعیف N-O رخ می دهد. اکسید نیتریک (NO) ساده ترین موجودیت مولکولی پایدار را نشان می دهد که دارای تعداد فرد الکترون است. در سیستم های پستانداران، از جمله انسان، به عنوان یک مولکول پیام رسانی سلولی حیاتی که در مسیرهای فیزیولوژیکی و پاتولوژیک متعدد نقش دارد، عمل می کند. سنتز آن شامل اکسیداسیون کاتالیزوری آمونیاک است. این ماده یک گاز بی رنگ و پارامغناطیس است که به دلیل ناپایداری ترمودینامیکی خود، در محدوده دمایی 1100-1200 درجه سانتیگراد به گاز نیتروژن و اکسیژن تجزیه می شود. ویژگی های پیوند اکسید نیتریک شبیه نیتروژن است. با این حال، افزودن یک الکترون اضافی به یک اوربیتال پادپیوند π*، ترتیب پیوند را به حدود 2.5 کاهش می دهد. در نتیجه، دیمریزاسیون به O=N–N=O عموماً نامطلوب است، به جز در زیر نقطه جوش آن (جایی که ایزومر cis پایداری بیشتری از خود نشان می‌دهد)، در درجه اول به این دلیل که این فرآیند نظم کلی پیوند و جابجایی الکترون جفت‌نشده را در سرتاسر مولکول پایداری NO افزایش نمی‌دهد. علاوه بر این، شواهد نشان می‌دهد که وقتی اکسید نیتریک در حضور مولکول‌های قطبی متراکم می‌شود، یک دایمر قرمز نامتقارن، O=N–O=N تشکیل می‌شود. اکسید نیتریک با اکسیژن برای تولید دی اکسید نیتروژن قهوه ای و با هالوژن ها برای تشکیل نیتروسیل هالید واکنش می دهد. علاوه بر این، در واکنش‌هایی با ترکیبات فلزات واسطه شرکت می‌کند و کمپلکس‌های نیتروزیل تولید می‌کند، که بسیاری از آنها به شدت رنگی هستند.}

تری اکسید دی نیتروژن آبی (N₂O₃) تنها در فاز جامد وجود دارد، زیرا در بالای نقطه ذوب خود دچار تفکیک سریع می‌شود و اکسید نیتریک، دی اکسید نیتروژن (NO§4_{5§8) و دی‌نیتروژن تتروکس (N§6§98) تولید می‌کند. مطالعه انفرادی دو ترکیب اخیر به دلیل تعادل دینامیکی موجود بین آنها چالش برانگیز است، اگرچه تتروکسید دی نیتروژن گاهی اوقات می تواند تحت شکافت هترولیتیک برای تولید یون های نیتروزونیوم و نیترات در محیط هایی باشد که با ثابت دی الکتریک بالا مشخص می شود. دی اکسید نیتروژن به عنوان یک گاز قهوه ای تند و خورنده مشخص می شود. هر دو ترکیب را می توان به آسانی از طریق تجزیه نیترات فلز خشک سنتز کرد. هر دو ماده با آب واکنش داده و اسید نیتریک تولید می کنند. تتروکسید دی نیتروژن برای سنتز نیترات های فلزی بی آب و کمپلکس های نیتراتو بسیار ارزشمند است. در اواخر دهه 1950، به عنوان اکسید کننده قابل ذخیره ترجیحی برای موشک های متعدد در ایالات متحده و اتحاد جماهیر شوروی پذیرفته شد. این ترجیح ناشی از خاصیت هایپرگولیکی آن در ترکیب با سوخت های موشک مبتنی بر هیدرازین و سهولت ذخیره سازی آن به عنوان مایع در دمای محیط است. از طریق کم آبی با استفاده از پنتوکسید فسفر از آن سنتز می شود. این ترکیب به دلیل کاربرد آن در سنتز مواد منفجره قابل توجه است. این ماده به عنوان یک جامد کریستالی بی رنگ و بی رنگ با حساسیت به نور نشان داده می شود. در فاز جامد خود، ساختار یونی دارد، [NO§45§]⁺[NO§89§]⁻; با این حال، به صورت گازی و در محلول، به عنوان یک موجود مولکولی وجود دارد، O§1213§N-O-NO§1415§. هیدراتاسیون به راحتی اسید نیتریک تولید می کند و واکنش مشابه با پراکسید هیدروژن باعث تولید اسید پراکسونیتریک می شود (HOONO§1617§). به عنوان یک عامل اکسید کننده قوی عمل می کند. پنتوکسید دیتروژن گازی بر اساس واکنش های زیر تجزیه می شود:}

N₂O₅ ⇌ NO§4_{5§ + NO§6}7§ → NO§8_{9§ + O§1011§ + نه}

N₂O₅ + NO ⇌ 3 NO§4_5§

اکسواسیدها، اکسوآنیون‌ها، و نمک‌های اکسواسید

اکسواسیدهای نیتروژن متعددی شناسایی شده است. با این حال، اکثریت در شکل خالص خود ناپایدار هستند و عمدتاً به صورت محلول های آبی یا نمک وجود دارند. اسید هیپونیتروس (H₂N₂O§4_{5§)، که با ساختار HON=NOH مشخص می شود، به عنوان یک اسید دیپروتیک ضعیف عمل می کند و مقادیر pKa1 6.9 و pKa2.6.1.1 را نشان می دهد. در حالی که محلول‌های اسیدی پایداری قابل‌توجهی از خود نشان می‌دهند، تجزیه که توسط یک باز کاتالیز می‌شود، بالاتر از pH 4 آغاز می‌شود و از طریق [HONNO]^- واسطه‌ای برای تولید اکسید نیتروژن و آنیون هیدروکسید پیش می‌رود. Hyponitrites، که ترکیب N
§2223§O2−
§3132§ آنیون، در برابر کاهش مقاومت می کنند و اغلب خود به عنوان عوامل کاهنده عمل می کنند. این ترکیبات نشان دهنده یک مرحله میانی در اکسیداسیون آمونیاک به نیتریت است که فرآیندی جدایی ناپذیر از چرخه نیتروژن است. Hyponitrite قادر است به عنوان یک پل زدن یا یک لیگاند دوتایی کلات کننده عمل کند.}

اسید نیتروژن (HNO₂) به عنوان یک ترکیب خالص جداسازی نشده است. با این حال، این یک جزء رایج در تعادل گازی است و به عنوان یک معرف آبی حیاتی عمل می کند. محلول‌های آبی اسید نیتروژن را می‌توان با اسیدی کردن نیتریت آبی سرد (NO⁻
§89§، عدم تناسب به نیترات و اکسید نیتریک رخ می دهد. این ماده به عنوان یک اسید ضعیف عمل می کند و pK_a 3.35 در دمای 18 درجه سانتی گراد را نشان می دهد. محلول‌های اسید نیتروژن را می‌توان از طریق روش‌های تیترومتری که شامل اکسیداسیون آنها به نیترات توسط پرمنگنات است، تجزیه و تحلیل کرد. آنها به آسانی توسط دی اکسید گوگرد به اکسید نیتروژن و اکسید نیتریک احیا می شوند، در صورت درمان با قلع (II) به اسید هیپونیتروس و در حضور سولفید هیدروژن به آمونیاک تبدیل می شوند. نمک های هیدرازینیم، به طور خاص N
§2526§H⁺
§34^35§

ArNH₂ + HNO₂ → [ArNN]Cl + 2 H§4_5§O

نیتریت همچنین به عنوان یک لیگاند رایج عمل می کند که قادر به هماهنگی در پنج حالت متمایز است. حالت های هماهنگی غالب عبارتند از نیترو (پیوند با نیتروژن) و نیتریتو (پیوند با اکسیژن). ایزومر نیترو-نیتریتو اغلب مشاهده می شود، با ایزومر نیتریتو معمولاً پایداری کمتری از خود نشان می دهد.

اسید نیتریک (HNO₃) به عنوان مهمترین و پایدارترین اسید نیتروژن در میان اگزوسیدهای نیتروژن است. به عنوان یکی از سه اسید پرمصرف در کنار اسیدهای سولفوریک و هیدروکلریک شناخته می شود، کشف اولیه آن به کیمیاگران در قرن سیزدهم نسبت داده می شود. تولید آن شامل اکسیداسیون کاتالیزوری آمونیاک به اکسید نیتریک و به دنبال آن اکسیداسیون اکسید نیتریک به دی اکسید نیتروژن و سپس انحلال در آب برای تولید اسید نیتریک غلیظ است. سالانه بیش از هفت میلیون تن اسید نیتریک در ایالات متحده تولید می شود که اکثریت آن به تولید نیترات برای کودها، مواد منفجره و کاربردهای مختلف دیگر اختصاص می یابد. اسید نیتریک بی آب را می توان با تقطیر اسید نیتریک غلیظ با پنتوکسید فسفر تحت فشار کم در دستگاه شیشه ای تیره سنتز کرد. این ترکیب را فقط می توان در فاز جامد خود تهیه کرد، زیرا پس از ذوب شدن خود به خود به دی اکسید نیتروژن تجزیه می شود. علاوه بر این، اسید نیتریک مایع نسبت به هر مایع کووالانسی دیگری درجه خود یونیزاسیون بیشتری را نشان می دهد، همانطور که در زیر نشان داده شده است:

2 HNO₃ ⇌ H
§89§NO⁺
§1718§ + نه⁻
§2829§ ⇌ H§3334§O + [NO§3536+s§] ^{[NO§3940§]−}

دو هیدرات قابل تبلور، HNO₃·H₂O و HNO§45§·3H§6_{7§O، شناسایی شده‌اند. اسید نیتریک یک اسید قوی است و محلول های غلیظ آن به عنوان عوامل اکسید کننده قوی عمل می کنند. با این حال، فلزات نجیب مانند طلا، پلاتین، رودیوم و ایریدیوم در برابر اثرات خورنده آن مقاوم هستند. مخلوط حجمی 3:1 از اسید هیدروکلریک غلیظ و اسید نیتریک، معروف به aqua regia، دارای قدرت اکسیداتیو حتی بیشتری است، به دلیل تشکیل کلر آزاد و نیتروزیل کلرید، که آنیون های کلرید را قادر می سازد کمپلکس های قوی ایجاد کنند، به طور موثر طلا و پلاتین را حل می کند. هنگامی که اسید نیتریک در اسید سولفوریک غلیظ حل می شود، پروتونه می شود و یون نیترونیوم تولید می کند که متعاقباً به عنوان الکتروفیل در واکنش های نیتراسیون معطر عمل می کند:}

HNO₃ + 2 H₂SO₄ ⇌ NO⁺
§12_13§ + H§1718§O⁺ + 2 HSO style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">−
§27_28§

پایداری حرارتی نیترات‌ها که دارای صفحه مثلثی هستند NO⁻
§6^7§ آنیون، مشروط به اساسی بودن فلز مرتبط است. در نتیجه، محصولات حاصل از تجزیه حرارتی آنها (ترمولیز) نیز متفاوت است و بسته به پایداری نسبی این محصولات، نیتریت‌ها (مانند سدیم)، اکسیدها (مانند پتاسیم و سرب) یا حتی فلز خالص (مانند نقره) را تولید می‌کنند. علاوه بر این، نیترات اغلب به‌عنوان لیگاند عمل می‌کند و حالت‌های هماهنگی متنوعی را نشان می‌دهد.

اگرچه اسید ارتونیتریک (H₃NO₄)، که از نظر ساختاری مشابه اسید ارتوفسفریک است، وجود ندارد، وجود ندارد style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">3−
§1011§ در اشکال نمک سدیم و پتاسیم آن شناسایی شده است.

${\displaystyle {\ce {NaNO3{}+Na2O->[{\ce {Ag~crucible}}][{\ce {300^{\circ }C~for~7days}}]Na3NO4}}}$

این نمک‌های کریستالی سفید حساسیت بالایی به بخار آب جو و دی اکسید کربن دارند.

Na₃NO₄ + H§4_{5§O + CO§67§ → NaNO§89§ + NaOH + NaHCO§10}11§

علی‌رغم واکنش‌پذیری شیمیایی محدود، آنیون ارتونیترات به دلیل هندسه چهار وجهی منظم و به‌ویژه طول‌های پیوند N–O کوتاه، که ویژگی قطبی قابل‌توجهی را در پیوند آن نشان می‌دهد، جذابیت ساختاری دارد.

ترکیبات نیتروژن آلی

نیتروژن یک عنصر محوری در شیمی آلی است. گروه‌های عاملی آلی متعددی دارای پیوند کربن-نیتروژن هستند، از جمله آمیدها (RCONR₂)، آمین‌ها (R₃N)، ایمین‌ها (RC(=NR)R)، ایمیدها (RCO)§4_{5§NR، آزیدها (RN§R6}) سیانات ها (ROCN)، ایزوسیانات ها (RNCO)، نیترات ها (RONO§10_{11§)، نیتریل ها (RCN)، ایزونیتریل ها (RNC)، نیتریت ها (RONO)، ترکیبات نیترو (RNO§1213§)، ترکیبات نیتروزو (RNO)، اکسیم ها (RC(=NOH)R. پیوندهای کربن-نیتروژن قطبش قوی به سمت اتم نیتروژن نشان می دهند. به طور معمول، نیتروژن در این ترکیبات سه ظرفیتی است. با این حال، می تواند یک حالت چهار ظرفیتی در نمک های آمونیوم چهار ظرفیتی اتخاذ کند (R§1415§N⁺). وجود یک جفت تنها روی نیتروژن اغلب به ترکیب اولیه می دهد و هماهنگی با یک پروتون را امکان پذیر می کند. با این وجود، این پایه را می توان با سایر تأثیرات ساختاری کاهش داد. به عنوان مثال، آمیدها عموماً پایه نیستند زیرا جفت تک آنها به یک پیوند دوگانه تبدیل شده است، اگرچه آنها می توانند با انجام پروتونه شدن در اتم اکسیژن به عنوان باز در pH بسیار پایین عمل کنند. به طور مشابه، پیرول به دلیل جابجایی جفت تنها خود به عنوان بخشی جدایی ناپذیر از یک سیستم حلقه معطر، فاقد پایه است. اندازه گیری مقدار نیتروژن در یک ماده شیمیایی معمولاً با استفاده از روش Kjeldahl انجام می شود. اساساً، نیتروژن یک جزء ضروری از اسیدهای نوکلئیک، اسیدهای آمینه (و در نتیجه پروتئین ها) و مولکول انتقال دهنده انرژی آدنوزین تری فسفات است، بنابراین برای تمام اشکال حیات زمینی بسیار مهم است.}

رویداد

نیتروژن به عنوان عنصر اصلی تشکیل دهنده جو زمین است که 78.1 درصد حجمی و 75.5 درصد جرمی را شامل می شود که معادل تقریباً 3.89 میلیون گیگاتن (3.89×10¹⁸  کیلوگرم) است. برعکس، فراوانی آن در پوسته زمین به میزان قابل توجهی کمتر است و تقریباً 19 قسمت در میلیون تخمین زده می‌شود که با عناصری مانند نیوبیم، گالیوم و لیتیوم قابل مقایسه است. این حضور پوسته مربوط به حدود 300000 تا یک میلیون گیگا تن نیتروژن است که مشروط به جرم کل پوسته است. از نظر تاریخی، مواد معدنی حاوی نیتروژن اولیه نیتر (نیترات پتاسیم، همچنین به عنوان نمکدان) و نیتر سودا (نیترات سدیم، یا نمک شور شیلی) بودند. با این وجود، اهمیت این منابع طبیعی نیترات ها از دهه 1920 کاهش یافته است، به دنبال پذیرش گسترده آمونیاک صنعتی و سنتز اسید نیتریک.

ترکیبات نیتروژنی تحت چرخش مداوم بین جو و سیستم های بیولوژیکی قرار می گیرند. در ابتدا، نیتروژن برای جذب گیاه نیاز به پردازش یا "تثبیت" به شکل زیستی، به طور معمول آمونیاک دارد. در حالی که برخی از تثبیت نیتروژن به طور طبیعی از طریق برخورد رعد و برق، تولید اکسیدهای نیتروژن رخ می دهد، اکثریت توسط باکتری های دیازوتروف با استفاده از آنزیم های نیتروژناز تسهیل می شود. تثبیت نیتروژن صنعتی به آمونیاک نیز نقش اساسی در فرآیندهای معاصر دارد. پس از جذب توسط گیاهان، آمونیاک به عنوان پیش ساز برای سنتز پروتئین عمل می کند. متعاقباً، حیوانات این گیاهان را مصرف می‌کنند و ترکیبات نیتروژن را برای سنتز پروتئین خود ترکیب می‌کنند و متعاقباً مواد زائد نیتروژنی را دفع می‌کنند. در نهایت، تجزیه این موجودات که توسط اکسیداسیون باکتریایی و محیطی و نیترات زدایی انجام می شود، دی نیتروژن آزاد را به جو باز می گرداند. فرآیند هابر، یک روش صنعتی برای تثبیت نیتروژن، در درجه اول کودها را تولید می کند. با این حال، شسته شدن زباله‌های نیتروژنی مازاد می‌تواند باعث ایجاد اتروفیکاسیون در آب‌های شیرین شود و توسعه مناطق مرده دریایی را تقویت کند، زیرا تکثیر باکتری‌های تحریک‌شده با نیتروژن اکسیژن آب را به سطوحی کشنده برای ارگانیسم‌های بالاتر کاهش می‌دهد. علاوه بر این، اکسید نیتروژن، محصول جانبی نیترات زدایی، به تخریب لایه اوزون اتمسفر کمک می کند.

تعدادی از گونه های ماهیان دریایی مقادیر قابل توجهی از اکسید تری متیل آمین را سنتز می کنند که در برابر فشارهای اسمزی مشخص زیستگاه های آبی آنها محافظت می کند. تبدیل بعدی این ترکیب به دی متیل آمین در بوی اولیه مشخص مشاهده شده در ماهی های آب شور رو به وخامت دخیل است. در فیزیولوژی حیوانی، اکسید نیتریک، یک رادیکال آزاد مشتق شده از یک اسید آمینه، به عنوان یک مولکول تنظیم کننده حیاتی در فرآیندهای گردش خون عمل می کند.

واکنش سریع اکسید نیتریک با آب در سیستم های حیوانی منجر به تشکیل متابولیت آن، نیتریت می شود. به طور کلی، پردازش متابولیک نیتروژن از پروتئین ها در حیوانات با دفع اوره به اوج خود می رسد، در حالی که متابولیسم اسیدهای نوکلئیک هم اوره و هم اسید اوریک را تولید می کند. بوی متمایز مرتبط با گوشت حیوانات در حال پوسیدگی از تولید آمین های نیتروژن دار با زنجیره بلند، به ویژه پوترسین و کاداورین، که محصولات کاتابولیک اسیدهای آمینه اورنیتین و لیزین هستند، در پروتئین های در حال تجزیه می باشند.

تولید

گاز نیتروژن، یک کالای صنعتی، عمدتاً از طریق تقطیر جزئی هوای مایع یا از طریق تکنیک‌های جداسازی مکانیکی اعمال شده در هوای گازی، مانند غشاهای اسمز معکوس تحت فشار یا جذب نوسان فشار (PSA) تولید می‌شود. ژنراتورهایی که از فناوری غشاء یا جذب نوسان فشار (PSA) برای تولید نیتروژن استفاده می کنند، معمولاً هزینه و کارایی انرژی بالاتری در مقایسه با نیتروژن عرضه شده به صورت عمده ارائه می دهند. نیتروژن تجاری در دسترس اغلب به عنوان یک محصول جانبی در طی پردازش صنعتی هوا برای تغلیظ اکسیژن برای کاربردهایی مانند فولادسازی و سایر مصارف صنعتی به وجود می آید. هنگامی که در سیلندرهای فشرده تحویل داده می شود، معمولاً به عنوان OFN (نیتروژن بدون اکسیژن) تعیین می شود. نیتروژن استاندارد تجاری معمولاً حاوی حداکثر 20 ppm اکسیژن است، در حالی که نمرات بسیار خالص شده با حداکثر 2 ppm اکسیژن و 10 ppm آرگون نیز قابل تهیه است.

در یک محیط آزمایشگاهی شیمیایی، گاز نیتروژن را می توان با واکنش محلول آبی کلرید آمونیوم با نیتریت سدیم سنتز کرد.

NH₄Cl + NaNO₂ → N§4_{5§ + NaCl + 2 H§67§O}

مقادیر جزئی ناخالصی، به ویژه اکسید نیتریک (NO) و اسید نیتریک (HNO₃)، به طور همزمان در طول این واکنش تولید می‌شوند. این ناخالصی‌ها را می‌توان به‌طور مؤثری با پاشیدن گاز از طریق محلول آبی اسید سولفوریک که حاوی دی کرومات پتاسیم است، از بین برد.

از طرف دیگر، نیتروژن را می‌توان از طریق تجزیه حرارتی دی کرومات آمونیوم تهیه کرد.

3(NH₄)₂Cr§4_{5§O7 → 2N§89§ + 9H§1011§O + 3Cr§1213§O14 2NH§1617§ + §1920§⁄§2122§O§2425§}

برای کاربردهایی که به خلوص فوق العاده بالا نیاز دارند، نیتروژن را می توان از طریق تجزیه حرارتی باریم آزید یا آزید سدیم سنتز کرد.

2 NaN₃ → 2 Na + 3 N₂

برنامه ها

با توجه به مجموعه وسیعی از ترکیبات نیتروژن، این بحث منحصراً بر روی کاربردهای نیتروژن عنصری متمرکز خواهد بود. در صنعت، دو سوم نیتروژن به صورت گاز توزیع می شود و یک سوم باقی مانده به صورت مایع به فروش می رسد.

برنامه های گازی

نیتروژن گازی عمدتاً به عنوان یک اتمسفر بی‌اثر در محیط‌هایی استفاده می‌شود که اکسیژن اتمسفر خطر احتراق، انفجار یا اکسیداسیون را به همراه دارد. کاربردهای مصور عبارتند از:

• به عنوان یک فضای اصلاح شده، خالص یا ترکیب شده با دی اکسید کربن، برای افزایش و حفظ تازگی محصولات غذایی بسته بندی شده یا فله استفاده می شود. این فرآیند که به نام نیتروژناسیون شناخته می شود، ترشیدگی و سایر تخریب اکسیداتیو را کاهش می دهد. در اتحادیه اروپا، نیتروژن خالص به عنوان افزودنی غذا E941 تعیین می شود.
• به عنوان یک جایگزین اقتصادی برای آرگون در لامپ های رشته ای استفاده می شود.
• در سیستم های اطفاء حریق طراحی شده برای زیرساخت فناوری اطلاعات (IT) ادغام شده است.
• کاربرد در فرآیندهای تولید فولاد ضد زنگ.
• در مورد سخت شدن فولاد از طریق فرآیند نیتریدینگ استفاده می شود.
• برای کاهش خطرات آتش سوزی در سیستم های سوخت هواپیماهای خاص گنجانده شده است.
• برای باد کردن لاستیک‌ها در وسایل نقلیه مسابقه‌ای و هواپیما استفاده می‌شود، در نتیجه مسائل مربوط به انبساط و انقباض ناسازگار ناشی از رطوبت و اکسیژن موجود در هوای محیط را به حداقل می‌رساند.

نیتروژن اغلب در تجزیه و تحلیل شیمیایی برای آماده‌سازی نمونه، به‌ویژه برای تغلیظ و کاهش حجم نمونه‌های مایع استفاده می‌کند. این امر با هدایت یک جریان تحت فشار گاز نیتروژن به صورت عمود بر روی سطح مایع حاصل می شود، که تبخیر حلال را در حالی که املاح(ها) و هر حلال تبخیر نشده باقی مانده را حفظ می کند، تسهیل می کند.

نیتروژن می تواند جایگزین یا مکمل دی اکسید کربن برای تحت فشار قرار دادن کیگ ها و به ویژه مخزن های بریتانیایی باشد. کاربرد آن منجر به حباب‌های کوچک‌تر می‌شود که به یک محصول روان‌تر و غنی‌تر کمک می‌کند. یک کپسول نیتروژن حساس به فشار که معمولاً "ویجت" نامیده می شود، بسته بندی آبجوهای نیتروژن دار را در قوطی ها و بطری ها امکان پذیر می کند. علاوه بر این، مخازن نیتروژن به طور فزاینده ای جایگزین دی اکسید کربن به عنوان پیشران اولیه برای تفنگ های پینت بال می شوند. با این حال، نیتروژن نیاز به ذخیره‌سازی در فشار بالاتری نسبت به CO₂ دارد و مخازن N₂ را سنگین‌تر و پرهزینه‌تر می‌کند.

برنامه های تجهیزات

برخی از تجهیزات ساختمانی از گاز نیتروژن تحت فشار برای تقویت سیستم های هیدرولیک استفاده می کنند و در نتیجه نیروی اضافی را برای ابزارهایی مانند چکش هیدرولیک تامین می کنند. علاوه بر این، گاز نیتروژن که از تجزیه سدیم آزید تولید می‌شود، برای باد کردن کیسه‌های هوای خودرو استفاده می‌شود.

برنامه های قضایی

با توجه به خواص نیتروژن به عنوان یک گاز خفه کننده، برخی از حوزه های قضایی خفگی از طریق استنشاق نیتروژن خالص را به عنوان روشی برای مجازات اعدام مورد بررسی قرار داده اند یا به عنوان جایگزینی برای تزریق کشنده عمل می کند. در ژانویه 2024، کنت یوجین اسمیت اولین فردی بود که با خفگی نیتروژن اعدام شد.

برنامه های نیتروژن مایع

نیتروژن مایع یک مایع برودتی است که از نظر بصری شبیه آب است. هنگامی که در ظروف عایق مناسب مانند فلاسک های Dewar قرار می گیرد، می توان آن را با حداقل تلفات تبخیری حمل و نگهداری کرد.

همانند یخ خشک، کاربرد اولیه نیتروژن مایع شامل دستیابی به دمای پایین است. کاربردهای آن شامل انجماد نمونه های بیولوژیکی، از جمله خون و سلول های تولید مثل (اسپرم و تخمک) است. در کرایوتراپی، از طریق انجماد، حذف کیست های پوستی و زگیل ها را تسهیل می کند. علاوه بر این، از آن در تله‌های سرد آزمایشگاهی و پمپ‌های سرمایی برای دستیابی به کاهش فشار در سیستم‌های خلاء استفاده می‌شود. همچنین برای خنک کردن اجزای الکترونیکی حساس به حرارت، مانند آشکارسازهای مادون قرمز و اشعه ایکس، کاربرد دارد. کاربردهای اضافی عبارتند از: یخ‌زنی و ماشین‌کاری موادی که در دمای محیط نرم یا الاستیک هستند، جمع‌شدگی و مونتاژ اجزای مهندسی و به طور کلی برای هر فرآیندی که به دمای بسیار پایین نیاز دارد. به دلیل مقرون به صرفه بودن اقتصادی، نیتروژن مایع اغلب برای خنک‌سازی استفاده می‌شود، حتی زمانی که چنین دماهای شدید کاملاً ضروری نیستند، همانطور که در تبرید مواد غذایی، نام تجاری انجماد دام، انجماد لوله‌ها برای قطع جریان در غیاب دریچه‌ها، و تثبیت خاک ناپایدار در حین عملیات حفاری مشاهده می‌شود.

ملاحظات ایمنی

ایمنی نیتروژن گازی

اگرچه نیتروژن غیر سمی است، انتشار آن در یک محیط محدود می تواند اکسیژن را جابجا کند و در نتیجه خطر خفگی را به همراه داشته باشد. این خطر به ویژه موذیانه است زیرا بدن کاروتید انسان، یک حسگر نسبتا ناکارآمد و کند برای اکسیژن کم (هیپوکسی)، حداقل علائم هشدار دهنده را ارائه می دهد. یک حادثه قابل توجه در 19 مارس 1981، قبل از آغاز ماموریت شاتل فضایی رخ داد، زمانی که دو تکنسین پس از ورود به بخشی از سکوی پرتابگر متحرک شاتل فضایی که تحت فشار نیتروژن خالص به عنوان یک اقدام پیشگیری از آتش قرار گرفته بود، تسلیم خفگی شدند. در اعماق زیر حدود 30 متر در غواصی)، به عنوان یک عامل بیهوشی عمل می کند و باعث ایجاد نارکوز نیتروژن می شود. این وضعیت به‌عنوان یک حالت گذرا از اختلال شناختی، مشابه اثرات مسمومیت با اکسید نیتروژن ظاهر می‌شود.

نیتروژن هم در خون و هم در بافت چربی حلالیت دارد. در نتیجه، رفع فشار سریع، مانند آنچه غواصان با سرعت زیاد بالا می‌روند یا فضانوردانی که به سرعت از کابین به فشار لباس فضایی تغییر می‌کنند، می‌تواند بیماری رفع فشار را تشدید کند. این وضعیت بالقوه کشنده، که از لحاظ تاریخی بیماری کیسون یا خم شدن نامیده می‌شود، از تشکیل حباب‌های نیتروژن در جریان خون، سیستم عصبی، مفاصل و سایر مناطق فیزیولوژیکی بحرانی یا حساس به وجود می‌آید. در حالی که سایر گازهای بی اثر (به استثنای دی اکسید کربن و اکسیژن) می توانند آسیب شناسی های مشابه مرتبط با حباب را ایجاد کنند، جایگزینی نیتروژن در مخلوط گازهای تنفسی ممکن است نارکوز نیتروژن را کاهش دهد اما از بروز بیماری رفع فشار جلوگیری نمی کند.

مایع

نیتروژن مایع به‌عنوان یک مایع برودتی، یک خطر تماسی است که می‌تواند باعث سوختگی شدید سرمایی شود. با این حال، اثر Leidenfrost محافظت گذرا را در طول مواجهه‌های بسیار کوتاه (تقریباً یک ثانیه) ارائه می‌کند. مصرف نیتروژن مایع می تواند منجر به آسیب های داخلی عمیق شود. یک نمونه مستند در سال 2012 رخ داد، زمانی که یک زن جوان در انگلستان به دنبال مصرف یک کوکتل تهیه شده با نیتروژن مایع، تحت عمل معده قرار گرفت.

با توجه به نسبت انبساط مایع به گاز نیتروژن 1:694 در دمای 20 درجه سانتیگراد، تبخیر سریع نیتروژن بافین مایع می تواند باعث ایجاد بخار شود. یک حادثه فاجعه بار در 12 ژانویه 2006 در دانشگاه A&M تگزاس، نمونه ای از این خطر بود که پس از آن دستگاه های کاهش فشار مخزن نیتروژن مایع که عملکرد نادرست داشت، آب بندی شد. تجمع فشار متعاقب آن منجر به شکست انفجاری تانک شد. نیروی این انفجار برای به حرکت درآوردن مخزن از طریق سقف سقف، شکستن یک تیر بتن مسلح به طور مستقیم در زیر آن و جابجایی دیوارهای آزمایشگاه به میزان 0.1 تا 0.2 متر از پایه آنها کافی بود.

نیتروژن مایع به آسانی به نیتروژن گازی تبخیر می شود، که لازم است اقدامات احتیاطی قابل اعمال در مورد نیتروژن گازی به شکل مایع آن نیز گسترش یابد. به عنوان مثال، حسگرهای اکسیژن اغلب به عنوان یک اقدام ایمنی در حین جابجایی نیتروژن مایع برای هشدار دادن به پرسنل از انتشار گاز در مناطق بسته استفاده می‌شوند.

ظروف حاوی نیتروژن مایع قادر به متراکم کردن اکسیژن اتمسفر هستند. همانطور که نیتروژن تبخیر می شود، مایع باقی مانده در ظرف به تدریج از نظر اکسیژن غنی می شود (نقطه جوش 183- درجه سانتیگراد، که بالاتر از نیتروژن است)، که به طور بالقوه منجر به واکنش های اکسیداسیون شدید با مواد آلی می شود.

نمایشگر کمبود اکسیژن

سنسورهای اکسیژن برای ارزیابی غلظت اکسیژن در محیط‌های محدود و در هر مکانی که گاز یا مایع نیتروژن ذخیره یا استفاده می‌شود، مستقر می‌شوند. اگر نشت نیتروژن رخ دهد و باعث شود سطح اکسیژن به زیر آستانه هشدار از پیش تعیین شده کاهش یابد، می‌توان مانیتور کمبود اکسیژن را برای فعال کردن هشدارهای صوتی و تصویری پیکربندی کرد. به طور معمول، زمانی که غلظت اکسیژن به زیر 19.5 درصد کاهش یابد، به پرسنل هشدار داده می شود. در ایالات متحده، اداره ایمنی و بهداشت شغلی (OSHA) جو خطرناک را جوی تعریف می‌کند که در آن غلظت اکسیژن یا کمتر از 19.5٪ یا بیشتر از 23.5٪ باشد.

گونه‌های نیتروژن فعال

• گونه های فعال نیتروژن
• گاز خاک

مراجع

کتابشناسی

• گرین وود، نورمن ن. ارنشاو، آلن (1997). شیمی عناصر (ویرایش دوم). باترورث-هاینمن. doi:10.1016/C2009-0-30414-6. ISBN 978-0-08-037941-8.
  • ریشه شناسی نیتروژن
  • پادکست نیتروژن از جهان شیمی
  انجمن سلطنتی شیمی